气压对颗粒电荷饱和度及主动充电过程中的电荷耗散的影响

《Powder Technology》：Effect of air pressure on particle charge saturation and charge dissipation under active charging

　　

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  研究了气压与颗粒电荷产生和消散之间的关系。
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  较低的气压通过表面微放电减少了颗粒的饱和电荷。
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  气压对颗粒电荷消散速率具有非线性影响。

引言

气动输送利用压力驱动的气流来运输颗粒物质，广泛应用于制药、煤炭、建筑和食品加工等行业[1]、[2]、[3]、[4]。在输送过程中，颗粒之间的频繁碰撞以及颗粒与壁面的碰撞会导致摩擦电荷的产生[5]、[6]、[7]，这可能会导致颗粒粘附、聚集、管道堵塞以及流动不稳定，并可能引发静电放电和粉尘爆炸[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。作为气动输送的主要操作参数和驱动介质，气压对颗粒电荷的产生和消散有显著影响。然而，其对这些过程的具体影响尚未得到充分了解，从而限制了对输送系统中静电危害的有效控制。因此，全面理解不同气压条件下颗粒物质的电荷产生和消散行为对于确保输送系统的安全运行和有效的静电控制至关重要。

摩擦起电归因于几种机制，包括电子转移、离子转移、物质转移和表面状态效应[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。Matsusaka等人[7]指出反复的颗粒-壁面碰撞是颗粒充电的重要来源，而Peart[19]和Naik等人[20]则表明颗粒大小、表面粗糙度、物质组成和环境条件可以显著影响电荷转移。因此，之前的研究已经考察了颗粒属性[21]、[22]、颗粒尺寸分布[23]、输送速度[24]、颗粒浓度[25]和环境湿度[26]的影响。然而，由于颗粒接触的随机性和电荷转移过程的复杂性，目前尚未建立统一的微观摩擦起电机制[27]。

颗粒充电通常伴随着电荷的积累和消散，最终电荷状态由这两者之间的动态竞争决定。先前的研究表明，电荷饱和度受碰撞频率、接触次数、电场和颗粒相互作用的影响[7]、[10]。Zhao等人[10]表明，随着反复滑动，颗粒电荷会逐渐趋于稳定的饱和状态，而Matsusaka等人[7]认为电荷饱和是由于增强的表面电场抑制了后续的电荷转移。Cruise等人[28]进一步指出，环境压力显著影响电荷积累，并提出气体击穿和空间电荷效应可能会限制颗粒的最大电荷。

电荷消散可以通过空气传导、离子中和、电晕放电和表面泄漏等方式发生[7]、[29]、[30]。Matsusyama等人[31]提出，在颗粒分离过程中电荷的松弛对最终电荷状态有贡献，而Bailey[32]表明周围气体氛围和颗粒-表面导电性都会影响电荷松弛。J. Méndez Harper等人[33]提出了一种离子捕获机制，即颗粒电荷被周围气体中的带相反电荷的离子中和。Matsuyama等人[34]研究了气动输送过程中颗粒的最大饱和电荷，并认为气体击穿和空间电荷效应共同决定了颗粒能够获得的最大电荷。这些研究表明，气体环境在颗粒电荷消散中起着重要作用。特别是，气压的变化会改变平均自由路径、离子迁移率和气体-颗粒碰撞频率，从而可能显著影响电荷产生和消散过程。

实验和数值方法被广泛用于研究气动输送中的颗粒充电[4]、[6]、[29]、[35]。然而，现有研究主要依赖于被动摩擦起电，即颗粒通过与输送管道的无控制碰撞来获得电荷。这种方法使得难以控制初始充电状态并获得高度可重复的充电条件[20]、[25]。此外，大多数先前的研究都集中在常压条件下，而低压和真空环境对颗粒充电和电荷消散的影响尚未得到充分探索[36]。

基于上述考虑，我们在本工作中提出了一种基于电晕放电的主动充电方法。我们监测了不同气压条件下颗粒的电荷饱和度和电荷消散行为，并阐明了气体分子与电荷在充电和消散过程中的相互作用机制。使用真空系统调节环境压力，并通过法拉第杯测量饱和颗粒电荷，以研究气压对电荷积累的影响。采用振动开尔文探针监测电荷消散，并使用表面电位衰减率来表征电荷消散行为，从而揭示气压对电荷消散的影响。分析不同气压下的颗粒电荷饱和度和消散行为为减轻气动输送系统中的静电效应提供了指导。

部分摘录

材料与方法

本研究中使用了直径为3毫米的聚氧甲烯（POM）树脂颗粒。颗粒电荷和表面电位分别使用法拉第杯和振动开尔文探针（VKP）进行测量。法拉第杯用于测量颗粒携带的电荷，其工作原理如图1所示。当带电颗粒进入法拉第杯并被导电收集器收集时，表面电荷会转移到金属上。

实验系统和设备

开发了一个包含真空系统和主动电晕充电系统的实验装置，以研究气压对颗粒饱和电荷和电荷消散行为的影响。

本研究中使用的真空系统如图4(a)所示。它由真空室、机械真空泵、root斯泵、涡轮分子泵、一系列控制阀和集成控制系统组成。真空室具有水平圆柱形几何结构。

颗粒充电饱和条件

电荷饱和度表示颗粒或材料可达到的最大电荷状态。当电荷积累与电荷消散达到动态平衡时，就会发生电荷饱和。由此产生的电场进一步抑制电荷转移，使得净充电速率趋近于零。在本工作中，使用基于电晕放电的主动充电方法将颗粒充电至饱和状态。

为了验证主动充电方法的重复性

结论

本研究开发了一种基于电晕放电的主动充电方法，以研究气压对颗粒充电和电荷消散的影响。主要结论如下：

• (1)
  所提出的基于电晕的主动充电方法提供了可控且有效的颗粒充电，具有足够的电荷沉积率以实现颗粒电荷饱和。饱和电荷和表面电位衰减率可以使用法拉第杯可靠地表征

CRed iT作者贡献声明

Zhengyu Hou：撰写——初稿撰写、验证、数据整理。Shaocong Xu：研究、数据整理。Lujia Zhang：研究、数据整理。Xiangyang Liu：撰写——审稿与编辑、验证。Zhe Zhang：撰写——审稿与编辑、监督、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中国自然科学基金（编号：52302464）的支持。